冰核蛋白如何控制冻结研究人员揭示了冰形成细菌背后的机制

某些细菌产生的特定冰核蛋白具有控制水的冰点的能力——其效率之高以至于任何其他已知物质都无法与之竞争。

马克斯普朗克聚合物研究所的 Konrad Meister 领导的跨学科团队现已发现这些蛋白质如何运作以及如何精确调节它们的活性。他们的研究结果表明，只需少量组装的蛋白质就足以实现最大活性 - 并且这些蛋白质优先在特定诱导条件下组装。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

水结冰不仅需要低于 0°C 的温度，还需要初始冰核来引发结晶。如果没有这个关键的冰核，水可以通过一种称为过冷的现象保持液态，甚至在零下 40°C 的严寒下也是如此。

大自然进化出了有趣的机制，通过促进冰核的形成来避免过冷，尤其是在某些类型的细菌中。这些微生物利用位于其外膜上的特殊冰核蛋白 (INP)将水分子模拟成冰状结构。

但为了充当冰晶的有效模板，多个 INP 需要组装成聚集体。实验观察表明，只有两种大小的聚集体，其中较大的一种高度有序的结构允许水在接近 0°C 的温度下结冰。

然而，尚不清楚这些聚集体需要多少蛋白质以及它们是如何组装的。由马克斯普朗克聚合物研究所组长、美国博伊西州立大学教授 Konrad Meister 领导的研究人员现在通过跨学科方法解决了这些问题。他们仔细检查了丁香假单胞菌细菌在冷却至 -30°C 时的活动，发现聚集体的类型不止最初怀疑的两类。

由于确切的 INP 结构仍未通过实验确定，因此利用最先进的结构预测来模拟蛋白质结构。犹他大学的 Valeria Molinero 领导的研究小组以此为基础，采用尖端计算方法确定了观察到的冻结活动所需的临界聚集体大小，从而深入了解了蛋白质结构与功能之间的关系。

研究表明，最初形成的是高度稳定的二聚体，由两种蛋白质组成。然后，这些二聚体充当构建块，通过静电相互作用组装成更大的结构。值得注意的是，研究发现，仅由六种蛋白质组成的聚集体就足以以极高的效率启动冷冻过程。

我们阐明细菌 IN 的大小和普遍性的方法的示意图。来源：美国国家科学院院刊(2024)。DOI：10.1073/pnas.2409283121

该跨学科研究团队还发现了一种通过稳定 pH 值和添加简单盐来促进更大聚集体形成的方法。这一知识对于应用(例如已经建立的人造雪生产)非常重要。

“这是我们首次能够增强细菌冰核剂的活性，并提高其在波动的环境条件下的稳定性，”该研究的主要作者 Galit Renzer 说。

“这不仅为冷冻保存等创新应用开辟了新的机遇，也为应对气候变化的影响提供了宝贵的见解。”